机械可靠性设计方法
可靠性工程的基本内容 可靠性工程的基本内容
机械可靠性设计方法
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可靠性工程的一般步骤 可靠性工程的一般步骤 1）方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估 方案论证阶段：确定可靠性指标， 算。 2）审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、 审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、 评价和选择试制厂家。 评价和选择试制厂家。 3）设计研制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及 设计研制阶段：主要进行可靠性预测、 综合影响分析，进行具体结构设计。 综合影响分析，进行具体结构设计。 4）生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、 生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、 验收试验等。 验收试验等。 5）使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据 使用阶段：收集现场可靠性数据，
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♦ 从20世纪70年代起，西方工业发达国家全面开展可靠性工
程实践和应用，可靠性技术变得越来越重要 – 从航空、航天、尖端武器和电子等行业，逐步推广应 用到各个行业 • 核能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电 站、建筑、水利、通讯、医药等 – 从宇宙飞船到日用产品全面普及 • 汽车、洗衣机、冰箱、复印机等 – NASA将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就 之一
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传统的安全系数设计法的局限性： 传统的安全系数设计法的局限性 若应力和强度分布的标准差σS和σF保持不变，而以相同的比 例K改变两个分布的平均值µS和µF ，当K>1时， µS和µF右移， 此时安全系数n＝ µS/µF虽然没变，但是可靠性却提高了。当 K<1时，情况正好相反。
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♦ 由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰五国组成的技
术合作计划（TTCP）委员会编制出一本常用机械设备可 靠性预计手册 ♦ 日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究 , 1958年，日本成立了“可靠性研究委员会”，1973年成立 “电子元件可靠性中心” – 日本科技联盟的一个机械工业可靠性分科会将故障模 式、影响（FMEA）等技术成功地引入机械工业的企业 中 – 日本企业界普遍认为：机械产品是通过长期使用经验 的累积，发现故障经过不断设计改进获得的可靠性 – 日本一方面采用成功的经验设计，同时采用可靠性的 概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较，总结 经验，收集和积累机械可靠性数据 ♦ 根据日本统计资料介绍，在1971～1981年的10年中，电子 产品可靠性水平提高了1～3个数量级，工程机械产品平均 无故障时间提高了3倍。
若保持应力和强度均值µS和µF不变，而各自的标准差σS和σF发 生变化，也会发生故障概率的变化。 原分布曲线，失效概 率较大。 σS和σF均变大。 σS和σF均变小， σS变大，σF变小。 σS变小，σF变大。
若µS、µF、σS和σF均发生变化，失效概率变化更大。
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可靠性包括两部分内容：可靠性理论基础和可靠性实用技术。
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可靠性发展历史
阶段
第一阶段(1943 1958 第一阶段(1943—1958 (1943 午)，又称为铅笔一纸 阶段
阶段成果
研究认为， 研究认为，产品故障的发生及其原因是随机事 随机性是事物的内在性质， 件，随机性是事物的内在性质，具有不可避免 性。 重新确定了故障原因随机性及其不可避免性的 概念；对一些偶然故障找到了自身的解释； 概念；对一些偶然故障找到了自身的解释；确 定了产品设计、结构、工艺与故障间的关系； 定了产品设计、结构、工艺与故障间的关系； 产品的可靠性信息更加完整， 产品的可靠性信息更加完整，对故障本质的认 识更加深入。 识更加深入。 形成了可靠性试验方法与数据处理方法； 形成了可靠性试验方法与数据处理方法；颁布 了有关可靠性标准； 了有关可靠性标准；建立了预防维修体系和可 靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。 靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。
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可靠性的发展
可靠性的研究开始于20世纪60年代美国的航天计划，起源于军 用电子设备。 – 机械和电子故障是NASA主要关心的问题，其中机械故障引 起的事故多，损失大。如： • 1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起 卫星空中坠毁； • 1964年人造卫星Ⅲ号因机械故障而损坏 – 1965年始，NASA开始三项机械可靠性工作 • 用过载试验方法进行可靠性试验验证 • 用随机动载荷验证结构和零件的可靠性 • 在关键机械零件中采用概率设计方法，将可靠度设计到 结构和机械零部件中
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工 程 机 械 产 品 质 量 体 系
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二、可靠性出现的原因
传统的机械零件设计是以计算安全系数为主要内容的，即 零件的安全系数（n）＝零件的强度（F）/零件的应力（S）， 且强度及压力均为单值来进行计算，但事实并非如此。
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虽然有较高的安全系数，但由于材料强度与应力分布并非 单值的，因此，当处于某种情况时，应力S>材料强度F，这样 零件就可能发生失效。
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♦ 80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视，我国有
关可靠性问题的研究。但是可靠性技术在一般工业和企业 中的应用还不广泛，与先进工业国家还存在较大的差距。 – 从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产 品可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行可 靠性指标的考核 – 1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新 闻发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的 机电产品 ♦ 1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开 了“非电产品可靠性工作交流研讨会” ♦ 2005年GJB450改版，增加机械可靠性内容
机械研究十分重视， 50年代后期，前苏
联开始可靠性研究在其二十年科技规划中，将提高机械产 品可靠性和寿命作为重点任务之一。 – 发布了一系可靠性国家标准，这些标准主要以机械产 品为对象，适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品 – 在各类机械设备的产品标准中，还规定了可靠性指标 或相应的试验方案 – 苏联还充分利用丰富的实际经验，研究并提出典型机 械零件的可靠性设计可经验公式，专门出版《机械可 靠性设计手册》 – 苏联还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管 理，认为这是保证机械产品可靠性的重要手段
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可靠性与产品质量 可靠性与产品质量 产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的 能力。 能力。 产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换言之， 产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换言之，要长时 性能随时间的保持能力 间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修 不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要 间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要 的质量特性。 的质量特性。 产品可靠性是产品最重要的质量指标之一， 产品可靠性是产品最重要的质量指标之一，是产品技术性能 和经济性的基本保证，并决定着产品在市场中的竞争能力。 和经济性的基本保证，并决定着产品在市场中的竞争能力。 工程机械产品质量包括：技术性能、可靠性、工艺性、 工程机械产品质量包括：技术性能、可靠性、工艺性、人机 工程学特性、外观质量等特性。 工程学特性、外观质量等特性。
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可靠性工程所包含的内容 1）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有可靠性 ）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面， 评估与可靠性预测。 评估与可靠性预测。 2）可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有概率工程 ）可靠性理论应用到产品、零件的设计上， 设计或可靠性设计。 设计或可靠性设计。 3）将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的因 ）将可靠性设计与优化理论结合起来， 考虑设计的最佳效果， 可靠性分配与可靠性优化。 素，考虑设计的最佳效果，有可靠性分配与可靠性优化。 4）考虑设备的维修因素之后的可靠性问题，有系统的可 ）考虑设备的维修因素之后的可靠性问题， 维护性与可利用性的估计。 维护性与可利用性的估计。 5）作为以上各分支的基础，有可靠性试验及其数据处理 ）作为以上各分支的基础，
第二阶段(1958 1968 第二阶段(1958—1968 (1958 年)
第三阶段(1968年以后) 第三阶段(1968年以后) (1968年以后
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可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面： 可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面： 1）可靠性工程：指导工程实际的可靠性活动的一门学科。 可靠性工程：指导工程实际的可靠性活动的一门学科。 2）可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因。 可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因。 3）可靠性数学：作为可靠性活动的基础。 可靠性数学：作为可靠性活动的基础。 4）可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的一门学科。 可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的一门学科。 5）可靠性基础理论：包括可靠性数学和失效学两个研究领域。 可靠性基础理论：包括可靠性数学和失效学两个研究领域。 概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。 概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。 6）可靠性应用技术：包括可靠性设计和预测，可靠性评价与 可靠性应用技术：包括可靠性设计和预测， 验证，可靠性标准等。 验证，可靠性标准等。
山东农业大学机电学院本科专业选修课程
现代设计与制造技术
Modern Design Methods And Manufacturer Technology 机械与电子工程学院
机械可靠性设计方法 §1、关于机械可靠性设计的几个问题 、
一、可靠性研究的必要性
1、产品更新快，采用新技术等未成熟的实验即被采用。 2、整机或系统复杂、零部件数量增多，发生故障的机会增多。 3、工业化国家实行产品责任索赔办法，迫使生产厂家注重可 靠性。 4、产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和 社会效益。